Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории и технологии электроэрозионного формообразования прецизионных полусферических оболочек. Монография.pdf
и путей регулирования износа ЭИ при ЭЭО сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом.
Как установлено выше, наиболее приемлемым и эффективным способом регулирования износа ЭИ в условиях электроэрозионного формообразования сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом является факельный перенос на его рабочую поверхность обрабатываемого
материала.
Установлены условия факельного переноса. Первое условие реализации фа
кельной защиты ЭИ вытекает из самой
схемы формообразования. Второе условие выполняется при
использовании в качестве рабочей среды деионизованной
воды с удельным электрическим сопротивлением ρ = 500–
– 1000 кОм·см. Столь малое по сравнению с углеводородными жидкостями удельное электрическое сопротивление
деионизованной воды позволяет увеличить МЭП при неизменных электрических параметрах в 3–4 раза. Так, при обработке с ча
пряжении холостого хода U
стотой следования импульсов f = 66 кГц и на-
= 160 В величина МЭП нахо-
х.х
дилась в пределах 20–30 мкм, когда рабочей жидкостью
служила смесь керосина и масла, и 60–80 мкм, когда рабочей
жидкостью была деионизованная вода с удельным электрическим сопротивлением 500–1000 кОм·см [16].
Для выполнения третьего условия необходим подбор для
каждого обрабатываемого материала такого материала ЭИ,
компоненты которого могли бы образовывать с компонентами
обраба
тываемого материала твердые растворы неограничен-
ной или, в крайнем случае, ограниченной растворимости.
Все условия, необходимые для образования на рабочей
поверхности ЭИ защитной металлической пленки из материала обрабатываемой заготовки, были реализованы в процессе
экспериментальной обработки сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом в среде деионизованной
воды. Электрод-инструмент изготавливался из меди М2. Об-
91
работке подвергались заготовки из монокристаллического
вольфрама, вольфрамовых сплавов ВНЖ 7-3 и ВНМ 3-2, никеля, кобальта, хрома, алюминия, сталей марок Ст3, Р18,
12Х18Н10Т, 20ХН3А. Основным критерием, по которому
оценивалась эффективность обработки перечисленных материалов, служила толщина напыленной на рабочую поверхность медного ЭИ пленки из обрабатываемого материала. Результаты экспериментов отражены в таблице [36].
Влияние характера взаимодействия металлов и энергии
импульса на толщину напыленного слоя
Материал
обрабатываемой
заготовки
Вольфрам Нерастворимость 1·10
Вольфрам Нерастворимость 2·10–2
Вольфрам Нерастворимость 0,5
Алюминий
Алюминий
Алюминий
Сталь Ст3
Сталь Ст3
Сталь Ст3
Кобальт
Характер взаимодей-
ствия с медью
в твердом состоянии
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Энергия
импульса
W
, Дж
и
–3
Толщина
напыленного
слоя (среднее
значение), мкм
Напыления
нет
Напыления
нет
Напыления
нет
3·10–4 <0,5
1,5·10–3 3
8,3·10–3 5
1,5·10–3 5
2,5·10–2 8
0,9 16
2,2·10–3 6
92
Окончание табл.
Материал
обрабатываемой
заготовки
Кобальт
Хром
Никель
Никель
Сплав ВНЖ 7-3 1,2·10–3 7
Сплав ВНЖ 7-3 6,8·10–3 13
Сплав ВНЖ 7-3 0,1 41
Сплав ВНМ 3-2 3·10–4 3
Сплав ВНМ 3-2 1,8·10–3 17
Сталь 20ХН3А 1,8·10–2 7
Сталь 12Х18Н10Т 5,5·10–3 7
Сталь Р18 6,3·10–3 7
Характер взаимодей-
ствия с медью
в твердом состоянии
Ограниченная
растворимость
Ограниченная
растворимость
Неограниченная
растворимость
Неограниченная
растворимость
Энергия
импульса
W
, Дж
и
4·10–3 7
2,7·10–3 5
1,2·10–2 17
2,2 33
Толщина
напыленного
слоя (среднее
значение), мкм
Данные таблицы убедительно демонстрируют, что характер взаимодействия металлов в твердом состоянии является одним из важнейших условий образования на рабочей поверхности ЭИ защитной пленки. С этой точки зрения наилучшие результаты дает обработка медным ЭИ никелевых
образцов, поскольку никель неограниченно растворяется
в меди. Образование никелевой пленки на рабочей поверхности медного ЭИ наблюдалось во всех сл
учаях обработки. При
обработке вольфрама не было обнаружено его напыления на
рабочую поверхность медного ЭИ ни в одном из опытов, поскольку вольфрам не растворяется даже в жидкой меди [43].
С точки зрения образования металлической пленки на
рабочей поверхности ЭИ наилучший результат достигается
93
в том случае, когда обрабатываемый материал является многокомпонентным и в его состав входят элементы, образующие
с материалом ЭИ твердые растворы неограниченной растворимости. Примером может служить тот факт, что напыленная
пленка наибольшей толщины образовывалась в случае, когда
обрабатываемым материалом являлись вольфрамовые сплавы
ВНЖ 7-3, ВНМ 3-2 и сталь 12Х18Н10Т, содержащие в своем
составе никель.
Вполне за
кономерно возникает вопрос: какие компоненты из материала заготовки (в случае обработки многокомпонентного материала) присутствуют в составе пленки?
С целью выявления наличия в напыленном слое компонентов материала заготовки был проведен масс-спектральный
анализ на лазерном микрозондовом масс-спектрометре. Импульсным лазерным лучом длительностью t
и энергией W
= 4·10–6 Дж при длине волны λ = 2,55·10–7 м
и
= 5·10–9 с
и
испарялся малый объем исследуемой пленки, образованной
в процессе ЭЭО на рабочей поверхности ЭИ. Испаренный
лазерным лучом материал, разгоняясь в электрическом поле,
разделяется на пики масс, что и отражено на спектрограмме
(рис. 2.7). Анализируя спектрограмму, легко установить, что
в материале исследуемой пленки находятся все компоненты,
входящие в состав обрабатываемой заготовки (Ni, W, Fe),
а также составляющие основ
у материала ЭИ (Cu). Грубая количественная оценка показывает, что пленка состоит в основном из Cu и Ni, а W и Fe в ней существенно меньше, хотя
в состав обрабатываемой заготовки входит более 90 % W.
94
Fe
Cu
Ni
W
Рис. 2.7. Масс-спектрограмма слоя материала заготовки из ВНЖ 7-3,
напыленного на медный ЭИ
Структура сплава ВНЖ 7-3 (рис. 2.8) состоит из вольфрамовых зерен округлой формы и мелкозернистой прослойки
гамма-твердых растворов (Ni, Fe)W [44].
Рис. 2.8. Структура вольфрамового сплава ВНЖ 7-3
Известно [43], что в системе W–Ni–Fe, согласно диаграмм
состояния Fe–W и Ni–W, растворимость Ni и Fe в W мала; обратная же растворимость, т. е. растворимость W в Ni или в Fe
имеет значительно более широкую область. Так, в связке Fe–Ni
растворяется до 13–14 % W [44, 45]. В твердом растворе
(Ni, Fe)W концентрация W достигает 17–19 % [44, 45].
Структура сплава ВНМ незначительно отличается от
структуры сплава ВНЖ: она состоит из сравнительно круп-
95
ных зерен округлой формы на основе W и матричного твердого раствора (Ni, Cu)W.
Дальнейшие исследования состава и структуры пленки
проводились с использованием как образцов из сплава ВНЖ,
так и образцов из сплава ВНМ.
Микроструктура пленки, образованной на рабочей поверхности медного ЭИ при ЭЭО сферической поверхности из
вольфрамового сплава ВНМ 3-2, показана на рис. 2.9. Ми
кроструктура пленки, также образованной на рабочей поверхности
медного ЭИ при обработке вольфрамового сплава ВНЖ 7-3, показана на рис. 2.10. Видно, что напыленный слой на рис. 2.9
и 2.10 имеет неравномерную толщину. Однако материал этого
слоя хорошо заполняет все микронеровности медной подложки
(рис. 2.10,а), что является косвенным подтверждением образования связей между компонентами сло
я, а также между этими
компонентами и материалом подложки. Рис. 2.10,б демонстрирует также действие центробежных сил в момент формирования
напыленного слоя на рабочей поверхности ЭИ: часть переносимого с заготовки материала под действием центробежных сил
выходит за пределы рабочей поверхности ЭИ и, естественно,
уже не образует с ней каких-либо связей.
Рис. 2.9. Микроструктура рабочей поверхности медного ЭИ с пленкой
из компонентов сплава
96
ВНМ
а
б
Рис. 2.10. Микроструктура рабочей поверхности медного ЭИ с плен кой из компонентов сплава ВНЖ
Исследования микроструктуры проводились на металлографическом микроскопе при 100-кратном увеличении. Микроструктура выявлялась методами химического травления.
Одним из наиболее важных этапов металлографического исследования пленки было определение глубины проникновения компонентов слоя в медное основание и измерение
их концентрации в слое. С этой целью была проанализирова-
97
на микроструктура участка рабочей поверхности медного ЭИ
с образовавшейся на нем пленкой из компонентов сплава
ВНМ 3-2. Исследование проводилось с помощью рентгеновского микроанализатора. Глубина диффузии компонентов
сплава ВНМ (W, Ni, Cu) в рабочую поверхность медного ЭИ
анализировалась 600, 601 и 602 электронными зондами диаметром 0,3 мм с шагом сканирования 1 мкм.
Измерение концентраций W, Ni, Cu в пленке проводилось по линии от центра одного зерна W через прослойк
у
(Ni–Cu)W до центра другого зерна W электронным лучом
диаметром 1 мкм с шагом 1 мкм. Подсчет площадей (объемов) фаз W и (Ni–Cu)W-связки в плоскости шлифа проводился на анализаторе изображений, при этом на каждом образце
анализировалось приблизительно 10 полей размерами
450×470 мкм.
Графические зависимости концентрации компонентов
сплава ВНМ (W, Ni, Cu) от глу
бины их внедрения представлены на рис. 2.11. Анализ зависимостей показывает, что в поверхности напыленного слоя наибольшим является содержание вольфрама, концентрация которого снижается по мере
увеличения расстояния от поверхности пленки; на расстоянии
от поверхности больше 30 мкм она становится практически
нулевой. Из анализа этих же зависимостей можно заключить,
что большая часть вольфрама, со
держащегося в сплаве ВНМ,
входит в состав пленки.
Результаты рентгеновского анализа пленки находятся
в некотором противоречии с результатами масс-спектрального
анализа. Учитывая, что масс-спектральный анализ дает лишь
качественную оценку, можно считать, что более достоверные
результаты обеспечивает рентгенографический анализ, позволяющий получать количественные показатели.
98
Рис. 2.11. Глубина внедрения компонентов сплава ВНМ в поверх ность медного электрода-инструмента
Содержание никеля в составе пленки, как следует из тех
же зависимостей на рис. 2.11, сравнительно невелико – не более 11 %, т. е. в первом приближении состав пленки идентичен составу материала обрабатываемой заготовки.
Для выяснения характера соединений, образовавшихся
в результате взаимодействия компонентов пленки как между
собой, так и с материалом ЭИ, был проведен р
ентгенофазовый
анализ. В качестве исследуемого образца использовался микрошлиф медного ЭИ, на рабочей поверхности которого имелась пленка из компонентов вольфрамового сплава ВНЖ 7-3.
Рентгенофазовый анализ образца был проведен на рентгеновском дифрактометре с использованием излучения медного
анода. Исследуемый участок облучался рентгеновским пучком диаметром 0,03 мм при напряжении 40 кВ. По полученным дифра
ктограммам определялись дифракционные пики
и соответствующие им межплоскостные расстояния. По найденным межплоскостным расстояниям и интенсивности пиков по каталогу JCPDC был определен фазовый состав пленки. Облучению и последующему анализу подвергались два
99
участка образца, находящиеся на различной глубине от поверхности пленки. Первый участок находился на границе
пленка – медь (рис. 2.10). Основными фазами этого участка, как
следует из рис. 2.12, являлись медь и твердый раствор никеля
в меди [45]. Второй обследуемый участок был выбран примерно
в среднем сечении пленки (рис. 2.10) и состоял из следующих
фаз (рис. 2.13): чист
ого вольфрама, твердого раствора никеля
в меди и твердого раствора железа в вольфраме [45].
Рис. 2.12. Дифрактограмма граничной области пленки
Рис. 2.13. Дифрактограмма среднего сечения пленки
100